Dit is het derde artikel in een reeks over halfgeleiders en hun toepassingen. Als je niet weet wat een halfgeleider, gedoopt halfgeleider materiaal of een p-n overgang is, lees dan dit artikel over de p-n overgang, of deze over halfgeleiders.
Transistoren worden onder meer gebruikt voor de versterking van stromen, bijvoorbeeld in een geluidsversterker. Er bestaan meerdere soorten transistoren, hier bespreken we de ‘gewone’ transistor, officieel de bipolaire transistor (de Bipolar Junction Transistor, of BJT). Deze bestaat uit drie lagen van gedoopt halfgeleidermateriaal (p-type en n-type) en komt voor in twee varianten: de PNP en de NPN die we nu bekijken. Je zou een transistor ook een triode kunnen noemen, ware het niet dat dat woord gereserveerd is voor een klassieke versterkerbuis. Maar het idee klopt wel, waar een diode twee lagen halfgeleidermateriaal heeft en dus twee aansluitingen heeft, heeft een transistor met drie lagen halfgeleidermateriaal drie aansluitpunten. Deze heten:
De collector (C) – waar de te versterken stroom ingaat.
Emitter (E) – waar de versterkte stroom uitkomt.
Basis (B) – De grootte van de stroom op dit contact bepaalt de mate van versterking.
In figuur 1 zie je een paar voorbeelden van hoe de transistor er als elektronische component uitziet. Sommige transistoren produceren veel warmte. Daarom kunnen ze verbonden worden met koelvinnen, die als een soort verwarmingsradiator deze warmte uitstralen en dus afvoeren om te voorkomen dat de transistor kapotgaat.
Opbouw en werking
In figuur 2 zie je een schematische weergave van de opbouw van een transistor.
Belangrijk voor de werking van de transistor is dat er tussen de emitter en collector niet zonder meer een stroom kan lopen. Om dat voor elkaar te krijgen, moeten er op de drie aansluitingen verschillende spanningen staan. De emitter heeft de laagste spanning, dan volgt de basis en ten slotte heeft de collector de hoogste spanning (de getallen 1V en 10V in het plaatje geven een indicatie). Met deze spanningsverschillen staat de basis-emitter overgang in forward bias (zie voor uitleg dit artikel) en de collector-basis overgang in reverse bias. In deze situatie zal er een stroompje gaan lopen van de basis naar de emitter, oftewel er komen elektronen los uit het n-type materiaal aan de emitter kant. Deze elektronen stromen deels naar de basis, maar de meeste gaan naar de collector, omdat daar een groter spanningsverschil aanwezig is.
Dit heeft twee veel gebruikte toepassingen.
Schakelen
Je kunt de NPN overgang gebruiken als schakelaar. Omdat er normaal geen stroom loopt van C naar E is de schakelaar uit. Als je nu echter een kleine spanning op de basis zet, zal dat een stroom triggeren. Deze spanning moet wel boven de drempelspanning van het gebruikte halfgeleidermateriaal liggen, voor silicium is dit 0,7 V. Dit schakelprincipe kun je gebruiken om een relais te vervangen. Een relais is een schakelaar die met een stroompje door een elektromagneet bediend wordt. Maar de transistor wordt vooral erg veel gebruikt in computerchips.
Transistoren werken dus als kleine schakelaars die elektrische signalen aan- of uitschakelen. Door ze slim te combineren, vormen ze logische poorten zoals EN, OF en invertor. In dit artikel lees je meer over logische schakeling zoals we die kennen van het systeembord.
Deze poorten voeren rekenkundige en logische bewerkingen uit, waardoor een chip beslissingen kan nemen en berekeningen kan uitvoeren. Hoe dat precies gebeurt, is behoorlijk ingewikkeld en een goede inleiding vind je in dit artikel. Je kunt ook zelf logische schakelingen bouwen met simulatiesoftware, zoals op deze website. Belangrijk om te weten is dat miljarden transistoren in een chip samenwerken om complexe instructies te verwerken en software uit te voeren.
Versterken
Een andere toepassing van transistoren is versterking. Hiervoor moet je weten dat het n-type materiaal van de emitter en collector veel zwaarder gedoopt en ook veel dikker zijn dan de basis (p-type). Er zijn dus veel elektronen beschikbaar aan de emitter kant. Een klein stroompje (IB) bij de basis en emitter zal zo een grote stroom (IC) opwekken tussen collector en emitter. Als het eerste kleine stroompje IB iets groter wordt, zal de resulterende stroom IC nog groter worden.
In feite hebben de twee stromen bij de collector en emitter een vaste verhouding. Dat is de gelijktroomversterkingsfactor aangegeven met β die waardes tussen de 5 en 300 (soms zelfs 900) heeft.
$\frac{I_C}{I_B}=\beta=\text{getal tussen 50 en 300}$
In een audioversterker wordt zo een zwak audiosignaal (zoals van een microfoon) toegevoerd aan de basis van de transistor. Door deze versterkingseigenschappen van de transistor wordt dit signaal omgezet in een sterker uitgangssignaal dat je via een luidspreker kunt horen.
In deze video zie je een grafische weergave van dit hele verhaal.
In het volgende filmpje vind je meer gedetailleerde uitleg over signaalversterking zoals bij audio. Het is soms wel een gevorderde uitleg, maar je vindt er zeer veel informatie voor verdere studie.
